博 士 （ 農 学 ） Ma.CarmelitaRobielosAlberto
学 位 論 文 題 名
Evaluation of rice ― based cropping systems from fiuxes of heat ，water vapor ，and greenhouse gases
（熱，水蒸気および温室効果ガスのフラックスによるイネの作付体系の評価）
学位論文内容の要旨
The irrigated rice‑based cropping system is one of Asia's most important production systems as it provides approximately three‑quarters of the world's rice needs. Though this system is sustainable, it is faced with several challenges in terms of increasing population to feed, water scarrcity, and its contribution to global warming through the emissions of greenhouse gases. Increasing food production is an absolute necessity for the human population and improved resource‑use efficienaes are impa:ative to achieve this goal. However, research on increasing rice yields should focus on strategies that do not harm the environment This study was therefore conducted to evaluate the environmental impact of different nice‑based cropping systems management (continuous flooding (CF), altemate wetting and drying (AWD), aerobic rice, dry‑seeded rice, and crop diversification from rice to maize) in terms of fluxes of heat, water vapor, and greenhouse gases.
Inigated rice fields are the major source of methane (CH4) enussions among the rice ecosystems, which accounts for 5‑19% of the world's total anthropogenic CH4 emissions. Methane production is favored in irrigated rice fields by the ample water supply, intensive soil preparation and fertilization, and improved growth of nce. However, this study has shown that CHA emission from submerged rice fields can be Kduced by about 40% with mid‑season soil drying or intermittent irrigation (AWD) duning the rice tqowing season The AWD also saves up t0 15‑30% irrigation water. These water‑saving techniques are all effective in reducing CH4 emissions but they may enhance nitrous oxide (N20) emissions as well. Results of this study also confirmed that AWD lowered the global warming potential contribution of both CHt and N20 emissions compared to continuous flooding even if rice straw residues were incorporated.
The aerobic rice production system can firrther save up t0 3050% irrigation water; however, it would cause sigpificant loss of soil organic carbon through increased carbon dioxide (C02) emissions and may also have an impact on heat fiuxes. Aerobic rice production is a new cropping system in which specially‑developed varieties are directly seeded in well‑drained and non‑puddled soils and nce is grown in unsaturated soil moisture conditions for most of the crop du:ation. As observed in this study, the net carbon (C) uptake of aerobic rice fields was about 2.5 times lower than that of fiooded nice fields. This was evident because the GPP or photosynthetic capacity of aerobic rice is lower than that of flooded rice. More so, the ratio of Re (plant and soil respirations) to GPP in aerobic rice fields was higher than that in flooded fields because of faster organic matter decomposition in aerobic soils. In tum, converting flooded rice production to an aerobic rice sys'tem to conserve water would mean less stored organic carbon in the soil. This study has also shown that the aerobic rice fields had about 45%
higher sensible heat flr]x (the energy used to warm the surrounding air) and 11% lower evapotranspiration (ET) than fiooded rice fields because of the drier soil conditions. The bigher C02
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闘MronmentS．Another water‑saving altemative is dry‑seeded rice grown with the overhead sprinkler irrigation system which can save about 55% of the typical lowland rice water consumption. This water‑savings was obtained during land preparation because minimalirrigation was required before the establishment of dry‑seeded rice as compared to flooded rice. Additional water was also saved through the use of non‑flooded but sarurated soil conditions during the growing period. This water management seemed to be fairly efficient because the net C uptake, ET, and crop water productivity (WPET) of the dry‑seeded rice were comparable to those of conventional flooded rice. The yields of the dry‑seeded rice can be improved as crop management practices are further developed and refined for high‑yielding dry‑seeded rice.
However, even with water‑saving technologies for rice cultivation, the water requirements for rice remain higher than for other cereal crops. Diminishing supplies for inigation water and increasing opportunities for higher income from non‑rice crops can serve as drivers for diversification from rice monoculture with soil submergence to a rotation of rice with other crops such as maize grown on weU‑drained aerobic soils. The rice‑maize cropping system is gaining importance on lowland soils across tropical and sublropical Asia :in response to the increasing demand of maize for feed and bio:ffiel.
This study has shown that the maize crop had l.4 times higher net C uptake and twice as much gain yield as dry‑seeded rice because of its greater photosynthetic capacity due to its C4 physiology. The canopy light use efficiency (CLUE), WPEr and photosynthetic water use efficiency (WUEp) of maize were l.8, 1.9 and l.6 times higher, respectively, than those of dry‑seeded rice. However, even if maize crop bas a higher capacity for C uptake, most of the carbon will be respired back to the atmosphere owing to higher soil organic matter decomposition brought about by the aerobic soil condition and thus, leads to low storage of carbon in the soil. This study bas also shown that climate variability can significantly influence maize production because of the crop's sensitivity to excess soil water logging brought by erratic rainfall, which resulted in about 20% reduction in net C uptake as well as yield of maize. This implies that a good drainage is necessary in converting paddy fields to maize cultivation.
Future research should focus on evaluating the global warming potential and carbon sequestration capacity of these water‑saving rice cultivation practices and diversified cropping systems. Therefore, it will be a continuous effort to evaluate the short and long‑term effects of such changes in cropping management in order to establish the process‑level rmderstanding for developing pathways for a conversion of rice‑based systems in Asia towards bigher yield potentials under minimized environmental impacts.
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学 位 論 文 審 査 の 要 旨
主 査 教 授 副 査 教 授 副 査 教 授 副査 領域長
平野高司 波多野隆 介 鮫島良次
官田 明（農業環境技術研究所）
学 位 論 文 題 名
Evaluation of rice ― based cropping systems from fiuxes of heat ，water vapor ，and greenhouse gases
（熱，ホ蒸気および温室効果ガスのフラックスによるイネの作付体系の評価）
本 論文は図 65 ，表34 ， 引用文 献 284 を 含む211 頁の英 文論文で あり，参考論文 5 編が添え られている。
水田による稲作はアジアにおける最も重要な作物栽培システムであり，世界の米需要の約 3/4 を産出している。水田による栽培システムは持続可能であるが，人口増加，水不足，温室 効果ガスの放出などの大きな問題に直面している。食料増産は増え続ける人口を支えるために 必須であり，資源の有効利用が不可欠である。しかし，米の増収だけでなく，環境に負荷を与 えない栽培システムについても焦点を当てた研究が重要である。そこで本研究は，熱，水蒸気 および温室効果ガスのフラックスを実測し，得られた結果を用いて異なる作付体系（慣行の連 続湛水（灌漑水田），間断灌漑(AWD) ，乾田，乾田直播，イネーメイズ二毛作）を比較し，そ れらが環境に与える影響を評価することを目的として行われた。
灌漑水田は温室効果ガスであるメタンの主要な放出源であり，そこからのメタン放出量は世 界全体の人為的な放出量の5 〜 19 ％を占める。湛水条件で施肥が行われ，イネが存在する水田 は，メタンの生成およぴ大気への放出にとって良好な環境である。本研究の結果は，湛水条件 でのメタン放出量が中干しや間断灌漑によって約40 ％削減されることを示した。また，間断 灌漑により灌漑水量が15^‑ 30 ％少なくなった。間断灌漑はメタンの発生を抑制するのに効果 的であるが，一酸化二窒素の発生を増加させる可能性がある。しかし，これらの温室効果ガス を合わせた温室効果ポテンシャルで評価すると，例え稲わらがすきこまれたとしても，間断灌 漑 は 連 続 灌 漑 に 比 べ て 地 球 温 暖 化 に 与 え る 影 響 が 小 さ い こ と が わ か っ た 。
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―乾 田 栽 培 は さ ら に30〜
50
％ の 節 水 と な る が ， 土 壌 有 機 物 の 好 気 的 分 解 に よ り 多 く の 二 酸 化 炭 素(COz)
を 放 出 す る と と も に ， 周 囲 の 気 象 に 与 え る 影 響 も 懸 念 さ れ る 。 乾 田 栽 培 で は ， 代 掻 き を 行 わ な い 排 水 土 壌 に 新 た に 開 発 さ れ た 品 種 を 直 接 播 種 し ， 不 飽 和 状 態 で 栽 培 す る 方 法 で あ る 。 乾 田 栽 培 に お け る 純 生 態 系 生 産 量 （ 正 味 の 炭 素 固 定 量 ，NEP)
は ， 灌 漑 水 田 と 比 べ て40
％ 程 度 で あ っ た 。 こ の よ う な 炭 素 固 定 量 の 減 少 は ， イ ネ の 品 種 の 光 合 成 能 が 異 な る こ と に 起 因 す る 。 そ れ 以 上 に ， 不 飽 和 土 壌 に お け る 土 壌 有 機 物 の 好 気 的 分 解 が 促 進 さ れ た こ と が 大 き く 寄 与 し て い る 。 こ の よ う に ， 灌 漑 水 田 を 乾 田 方 式 に 切 り 替 え る こ と で 大 幅 な 節 水 と な る が ， 土 壌 炭 素 の 蓄 積 を 減 少 さ せ る 結 果 と な る 。 ま た ， エ ネ ル ギ ー 収 支 の 点 か ら み る と ， 乾 田 は ， 水 田 に 比 べ て 顕 熱 フ ラ ッ ク ス を45
％ 増 加 さ せ ， 潜 熱 フ ラ ッ ク ス （ 蒸 発 散 ） を11％ 減 少 さ せ た 。 土 壌 か ら のC02
放 出 量 の 増 加 と 顕 熱 フ ラ ッ ク ス の 増 加 は ， 地 球 温 暖 化 を 促 進 さ せ る か も し れ な い 。 他 の 節 水 技 術 と し て ， 約55
％ の 節 水 効 率 が あ る と 報 告 さ れ て い る 乾 田 直 播 栽 培 が あ る 。 こ の 方 式 に お け る 炭 素 固 定 量 ， 蒸 発 散 量 お よ び 収 量 の 水 利 用 効 率 は ， 灌 漑 水 田 と 比 較 し て ほ ば 同 程 度 で あ っ た 。こ の よ う な 節 水 技 術 が 発 達 し て も ， 他 の 穀 物 栽 培 に 比 べ て 稲 作 に お け る 水 需 要 は 大 き い 。 灌 漑 水 量 を 減 ら す と と も に 農 家 の 収 入 を 増 や す た め に は ， 作 付 体 系 を イ ネ 単 作 か ら 二 毛 作 に 変 換 す る こ と が 有 効 で あ る と 考 え ら れ る 。 本 研 究 で は ， 裏 作 と し て 排 水 を 行 っ た 後 に メ イ ズ を 導 入 し た 。 メ イ ズ は ， 飼 料 や バ イ オ 燃 料 の 原 料 と し て 熱 帯 ・ 亜 熱 帯 ア ジ ア で 需 要 が 高 ま っ て お り ， イ ネ ― メ イ ズ 二 毛 作 は 有 効 で あ る と 考 え ら れ る 。
C4
植 物 で あ る メ イ ズ の 栽 培 地 で は ， イ ネ の 乾 田 直 播 栽 培 に 比 べ て ， 炭 素 固 定 量 が1
．4
倍 に ， 収 量 が2
倍 に そ れ ぞ れ 増 加 し た 。 ま た ， メ イ ズ 畑 の 群 落 光 合 成 の 光 利 用 効 率 お よ び 水 利 用 効 率 ， ま た 収 量 の 水 利 用 効 率 は ， イ ネ の 乾 田 直 播 栽 培 の そ れ ぞ れ1．8
，1
．9
，1
．6
倍 大 き か っ た 。 し か し ， メ イ ズ の 光 合 成 は 土 壌 水 分 に よる 影 響 を 強 く 受 け ， 強 い 降 雨 が 引 き 起 こ し た 短 期 的 な 湛 水 に よ り ， 炭 素 吸 収 量 が20
％ 低 下 し ， 結 果 と し て 減 収 と な っ た 。 こ の こ と は ， 水 田 地 帯 へ の メ イ ズ の 導 入 に は 排 水 シ ス テ ム の 完 備 が 重 要 で あ る こ と を 示 し て い る 。増 加 を 続 け る 世 界 人 口 を 養 う た め に は 食 糧 の 増 産 が 不 可 欠 で あ る が ， 同 時 に 水 資 源 の 不 足 が 大 き な 問 題 と な っ て い る 。 そ の た め ， 農 業 に お け る 節 水 技 術 の 開 発 お よ ぴ 利 用 が 重 要 な 課 題 に な っ て き た 。 本 論 文 は ， イ ネ 栽 培 に お け る 節 水 灌 漑 を 目 的 と し て 開 発 さ れ た 異 な る 作 付 体 系 に お い て ， 熱 ， 水 蒸 気 お よ び 温 室 効 果 ガ ス の フ ラ ッ ク ス を 実 測 し て エ ネ ル ギ ー 収 支 お よ び 炭 素 収 支 を 定 量 化 し ， そ れ ら の 比 較 に よ り 開 発 さ れ た 作 付 体 系 の 環 境 に 対 す る 影 響 を 評 価 し た も の で あ る 。 本 論 文 は ， 学 術 的 に 価 値 の 高 い 知 見 を 示 す と と も に ， 節 水 灌 漑 の 適 用 に お け る 指 針 を 与 え た と い え る 。 よ っ て 審 査 委 員 一 同 は ，
Ma. CarmelitaR
．Alberto
が 博 士 （ 農 学 ） の 学 位 を 受 け る に 十 分 な 資 格 を 有 し て い る と 認 め た 。―
